Análise computacional do escoamento em um rotor de bomba centrífuga

Abstract

As bombas centrífugas estão entre as máquinas de fluxo mais utilizadas na indústria. O estudo das mesmas é essencial para a Mecânica dos Fluidos aplicada à engenharia, onde, por vezes, encontrar a solução analítica para o escoamento é demasiadamente custoso. Porém, com o avanço tecnológico, a Dinâmica dos Fluidos Computacional se apresenta como como ferramenta que possibilita a análise e otimização de modelos mais completos e complexos. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo realizar a simulação computacional do escoamento no interior de um rotor proposto em literatura conceituada sobre o assunto, a fim de obter os campos de velocidades (relativas e absolutas) e pressão no interior do rotor e comparar os resultados numéricos com os analíticos e traçar a curva característica da bomba. A geometria das pás rotor em planta é de um arco de circunferência. O escoamento no interior do rotor será calculado usando o método dos volumes finitos, recorrendo ao software CFX Student. Para isso foi utilizado os modelos de turbulência κ – ε e Spalart-Allmaras, e o método Multiple Reference Frame (MRF) para modelar as interfaces entre os domínios rotativos e estáticos. A qualidade da malha será também aferida através de parâmetros de assimetria (Skewness) e ortogonalidade (Orthogonal Quality), disponibilizados pelo CFX Student. Foram apresentados resultados para as grandezas integrais como altura útil e potência útil, bem como suas respectivas curvas e a comparação entre os modelos de turbulência adotados e o critério de convergência utilizado. Na vazão nominal, os resultados foram comparados com os da teoria unidimensional em escoamento invíscido obtidos a partir da equação de Euler para as turbomáquinas, na qual possível observar que os valores obtidos por simulação se aproximam, para as condições de rendimento máximo, dos valores calculados analiticamente, com um desvio relativo de 0,59 % (0,197 m) para o modelo κ-ε e 0,08 % (0,026 m) para modelo de Spalart-Allmaras, respectivamente, em relação à altura útil.